Polovodič – definícia, vlastnosti, typy (n/p) a využitie v elektronike

Polovodič – jasná definícia, vlastnosti, typy (n/p) a praktické využitie v elektronike: kremík, tranzistory a aplikácie v počítačoch, mobiloch a spotrebnej elektronike.

Autor: Leandro Alegsa

04-02-2026 18:55

Polovodič je materiál, ktorý v niektorých prípadoch vedie elektrický prúd, ale v iných nie. Dobré elektrické vodiče, ako napríklad meď alebo striebro, ľahko prepúšťajú elektrinu. Materiály, ktoré blokujú tok elektriny, ako napríklad guma alebo plast, sa nazývajú izolátory. Izolátory sa často používajú na ochranu ľudí pred zásahom elektrickým prúdom. Ako naznačuje názov, polovodič nevedie tak dobre ako vodič. Najčastejšie používaným polovodičom je kremík, ale používa sa aj arzenid gália.

Pridaním rôznych atómov do kryštálovej mriežky polovodiča sa zmení jeho vodivosť tak, že sa vytvorí polovodič n-typu a p-typu. Kremík je najdôležitejším komerčným polovodičom, hoci sa používajú aj mnohé iné. Možno z nich vyrobiť tranzistory, čo sú malé zosilňovače. Tranzistory sa používajú v počítačoch, mobilných telefónoch, digitálnych audio prehrávačoch a mnohých ďalších elektronických zariadeniach.

Podobne ako v iných pevných látkach, aj v polovodičoch môžu mať elektróny energiu len v určitých pásmach (t. j. v rozmedzí energetických hladín) medzi energiou základného stavu, ktorá zodpovedá elektrónom pevne viazaným na atómové jadrá materiálu, a energiou voľného elektrónu, čo je energia potrebná na to, aby elektrón úplne unikol z materiálu.

Základné vlastnosti polovodičov

Polovodiče majú vlastnosti medzi vodičmi a izolátormi. Ich elektrická vodivosť je stredná a veľmi citlivá na teplotu, prítomnosť nečistôt a svetlo. Na rozdiel od kovov sa vodivosť polovodičov zvyšuje s rastúcou teplotou, pretože dodaná tepelná energia uvoľňuje viac nosičov náboja (elektrónov a dier).

Nosiče náboja: elektróny (záporné) a diery (kladné). Diera je absencia elektrónu v väzbovom páse a správa sa ako kladný nosič.
Teplotná závislosť: zvyšujúca sa teplota zvyšuje koncentráciu vnútorných nosičov (intrinzický stav).
Citlivosť na svetlo: fotóny s energiou väčšou ako šírka pásma môžu vytvárať páry elektrón–diera (využitie vo fotodiódach, solárnych článkoch).

Energetické pásy a šírka pásma

V polovodičoch rozlišujeme valenčný pás (obsadený väzbovými elektrónmi) a vodivostný pás (kde sa môžu pohybovať voľné elektróny). Medzi nimi je zakázaný pás (band gap), teda energia, ktorú musí získať elektrón, aby prešiel z valenčného do vodivostného pásu. U bežného kremíka pri izbovej teplote je šírka pásma približne 1,12 eV; u arzenidu gália približne 1,42 eV.

Doping — ako vzniká n- a p-typ

Doping je zámerné pridanie malého množstva cudzích atómov do kryštálu, aby sa zvýšila alebo zmenila vodivosť:

n-typ: pri pridaní donorových atómov (napr. fosfor v kremíku) vznikajú voľné elektróny, ktoré sú majoritnými nosičmi náboja. To vedie k negatívnemu (n) typu vodivosti.
p-typ: pri pridaní akceptorových atómov (napr. bóru v kremíku) vznikajú diery v valenčnom páse, ktoré sa správajú ako kladné nosiče — p-typ.

V dopovanom polovodiči rozlišujeme majoritné a minoritné nosiče — napríklad v n-typu sú majority elektróny a minority diery. Doping sa aplikuje technikami ako difúzia alebo iontová implantácia počas výroby čipov.

P‑N prechod a jeho správanie

P‑N prechod vznikne spojení p- a n-typu. Tento prechod má zásadnú rolu v dieroch elektroniky — funguje ako usmerňovač prúdu v dióde a tvorí základ tranzistora:

V neutrálnej polohe vytvára prechod vyprázdňovaciu zónu (depletion region) s vnútorným elektrickým poľom.
Pri predpätí (forward bias) sa bariéra zmenší a prúd môže tecť (dióda vodí).
Pri zpätpätí (reverse bias) bariéra rastie a prúd je minimálny (len malý zvratný prúd), až kým nedôjde k prieraznému javu.
Rekombinácia elektrón–diera v prechode uvoľňuje energiu, ktorá sa môže prejaviť ako svetlo — princíp LED.

Aplikácie v elektronike a optoelektronike

Polovodiče sú základom modernej elektroniky. Medzi najbežnejšie aplikácie patria:

Tranzistory (BJT, MOSFET) — spínanie a zosilňovanie signálov v integrovaných obvodoch.
Diódy — usmerňovanie, klampiace obvody, fotodiódy.
LED — svetelné zdroje založené na rekombinácii elektrónov a dier.
Solárne články — prevod svetla na elektrický prúd cez fotovoltaický efekt.
Senzory, detektory, lasery a vysokofrekvenčné súčiastky (najmä s arzenidom gália).

Najpoužívanejšie materiály a výroba

Kremík zostáva dominantný pre integrované obvody vďaka dostupnosti vysoko kvalitných kryštálov a dobre vyvinutým výrobným postupom. Ďalšie materiály sú:

Arzenid gália (GaAs) — lepšie vysokofrekvenčné vlastnosti a priame pásmo (výhoda pre LED a lasery).
Silikón-karbid (SiC), gallium nitride (GaN) — pre výkonové a vysokoteplotné aplikácie.

Výroba polovodičových súčiastok zahŕňa viacero krokov: rast monokryštálov (metóda Czochralski pre Si), rezanie waferov, fotolitografia, oxidácia, dopovanie (difúzia, iontová implantácia), metalizácia a passivácia. Celkové procesy sa vykonávajú v čistých prostrediach (clean roomy) kvôli citlivosti na kontamináciu.

Zhrnutie

Polovodiče sú materiály s jedinečnou schopnosťou riadiť vodivosť cez teplotu, svetlo a prídavné nečistoty (doping). Vďaka tomu tvoria základ modernej elektroniky a optoelektroniky — od jednoduchých diód až po zložité mikroprocesory a optické komponenty. Ich vlastnosti sú riadené energetickými pásmi, koncentráciou nosičov a konštrukciou štruktúr ako p‑n prechody a tranzistory.

Elektronické komponenty na báze polovodičov

História

Polovodiče sa v laboratóriách skúmali už v roku 1830. V roku 1833 Michael Faraday experimentoval so sulfidom strieborným. Zistil, že keď sa materiál zahrieva, lepšie vedie elektrinu. To bol opak toho, ako sa správala meď. Keď sa meď zahrieva, vedie menej elektriny. Viacerí ďalší prví experimentátori objavili ďalšie vlastnosti polovodičov. V roku 1947 bol v Bellových laboratóriách v New Jersey vynájdený tranzistor. To viedlo k vývoju integrovaných obvodov, ktoré dnes poháňajú takmer všetky elektronické zariadenia.

Dopovanie polovodičov

Doping

Dopovanie je proces pridávania malej prímesi do čistého polovodiča s cieľom zmeniť jeho elektrické vlastnosti. Ľahko a stredne dopované polovodiče sa nazývajú extrinzické. Polovodič dopovaný na takú vysokú úroveň, že sa správa viac ako vodič než polovodič, sa označuje ako degenerovaný. Väčšina polovodičov sa vyrába z kryštálov kremíka. Čistý kremík má malé využitie, ale dopovaný kremík je základom väčšiny polovodičov. Silicon Valley (Silikónové údolie) bolo pomenované podľa veľkého počtu začínajúcich polovodičových spoločností, ktoré sa tam nachádzali.

Polovodiče dnes

V súčasnosti sa polovodiče využívajú široko-ďaleko. Polovodiče sa nachádzajú takmer v každom elektronickom zariadení. Stolové počítače, internet, tablety, smartfóny, to všetko by nebolo možné bez polovodičov. Z polovodičov sa dajú vytvoriť veľmi presné spínače s malým napätím. Napätie, ktoré polovodič nepotrebuje, sa môže poslať do iných elektrických komponentov v zariadení. Polovodiče sa dajú vyrobiť aj veľmi malé a mnohé z nich sa zmestia do pomerne malého obvodu. Keďže sa dajú vyrobiť tak malé, elektrické zariadenia sa dnes dajú vyrobiť tenké a ľahké bez toho, aby sa znížil ich výpočtový výkon. Medzi dominantné spoločnosti v oblasti polovodičov patria Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm a Micron Technology.

Súvisiace stránky

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to polovodič?

Odpoveď: Polovodič je materiál, ktorý v niektorých prípadoch vedie elektrinu, ale v iných nie. Nevedie tak dobre ako dobré elektrické vodiče, ako je meď alebo striebro, a neblokuje tok elektriny ako izolátory, ako je guma alebo plast.

Otázka: Čo sú polovodiče typu n a p?

Odpoveď: Polovodiče typu n a p sa vytvárajú pridaním rôznych atómov do kryštálovej mriežky polovodiča, čím sa mení jeho vodivosť.

Otázka: Na čo sa používa kremík?

Odpoveď: Kremík je najdôležitejším komerčným polovodičom a možno z neho vyrábať tranzistory, čo sú malé zosilňovače používané v počítačoch, mobilných telefónoch, digitálnych audio prehrávačoch a mnohých ďalších elektronických zariadeniach.

Otázka: Aké ďalšie materiály sa používajú ako polovodiče?

Odpoveď: Okrem kremíka sa ako polovodič používa aj arzenid gália.

Otázka: Ako sa správajú elektróny v pevnom materiáli?

Odpoveď: Elektróny v pevných materiáloch môžu mať energiu len v určitých pásmach (t. j. v rozsahu energetických hladín) medzi energiou základného stavu, ktorá zodpovedá elektrónom pevne viazaným na atómové jadrá materiálu, a energiou voľného elektrónu, čo je energia potrebná na to, aby elektrón úplne unikol z materiálu.

Otázka: Prečo sa izolanty často používajú na ochranu ľudí pred zásahom elektrickým prúdom?

Odpoveď: Izolátory blokujú tok elektrického prúdu, takže sa môžu používať na ochranu ľudí pred úrazom elektrickým prúdom tým, že zabránia prechodu elektrického prúdu cez ne.

Otázka: Ako fungujú tranzistory?

Odpoveď: Tranzistory fungujú ako malé zosilňovače, ktoré prijímajú vstupný signál a zosilňujú ho pred tým, ako ho vysielajú na vyššej úrovni, ako bol pôvodne vstupný signál.

Prehľadať